本研究旨在开发一种由聚己内酯（Poly(ε-caprolactone), PCL）/明胶（Gelatin, Gel）/κ-卡拉胶（κ-Carrageenan, κ-CG）组成的新型静电纺丝纳米纤维，该纤维负载ω-3酸乙酯（omega-3 acid ethyl esters, ω3；包括二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid, EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid, DHA）），作为一种用于神经组织工程（特别是针对癫痫相关疾病）的生物相容性及抗菌平台。研究人员对所制备的负载ω3纳米纤维的形态、润湿性、化学结构、力学性能、热稳定性、溶胀行为、体外药物释放及动力学、抗菌活性以及生物相容性进行了系统表征。形态学分析证实了纳米纤维形成的均匀性，且ω3掺入后纤维直径有所增加。ω3的加入提高了疏水性，降低了溶胀能力，并改善了结构柔韧性。体外释放研究表明，EPA和DHA在14天内呈持续释放，累积释放率分别达到约93%和72%。释放动力学最符合Korsmeyer–Peppas模型，表明其为异常（非菲克）扩散行为。针对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌实验显示，负载ω3的纳米纤维可使细菌活力降低约两倍。利用SH-SY5Y和SVG-P12细胞系进行的细胞毒性研究证实了纳米纤维的细胞相容性，并揭示ω3进一步增强了神经元细胞的增殖。总体而言，所开发的负载ω3的PCL/Gel/κ-CG纳米纤维提供了一个细胞相容且具有抗菌性的平台，显示出其作为神经组织工程和癫痫治疗策略中持续递送ω3系统的巨大潜力。
研究背景与意义
癫痫是一种影响全球超过7000万人的慢性神经系统疾病，其特征为脑部异常电活动导致的反复发作。现有抗癫痫药物（Antiepileptic Drugs, AEDs）虽能使约70%的患者病情得到控制，但仍有部分患者会发展为耐药性癫痫（Drug-Resistant Epilepsy, DRE）。目前，癫痫尚无法根治，且长期用药伴随严重副作用。近年研究发现，癫痫患者血清及脑组织中ω-3多不饱和脂肪酸（ω3-PUFAs）水平显著降低，补充EPA和DHA可通过增强神经元连接、调节神经递质释放及减轻氧化应激发挥神经保护作用，并能减少癫痫发作、促进突触可塑性。然而，ω3-PUFAs因对光氧敏感、疏水性强、水溶性低、代谢迅速及化学稳定性差，导致其口服生物利用度受限。因此，研究人员亟需开发先进的生物材料给药系统，以实现对癫痫病灶区域的靶向、长效递送，同时规避传统药物的系统性副作用。
技术方法概述
研究人员采用静电纺丝技术制备了PCL/Gel/κ-CG三元聚合物复合纳米纤维，并将ω3-PUFAs封装于其中。通过调控溶液流变学特性（粘度、电导率、表面张力）优化纺丝工艺，成功制备出形貌均一的纳米纤维膜。研究综合运用扫描电子显微镜（SEM）分析微观形貌与直径分布，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析化学组分与分子间相互作用，通过接触角测量评估表面亲疏水性，借助万能试验机与差示扫描量热法（DSC）分别表征力学强度与热稳定性。此外，研究人员在模拟生理环境下进行了为期14天的体外药物释放实验，结合数学模型拟合释放动力学；选用革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌评估抗菌性能；并采用MTT法分别在人神经母细胞瘤细胞系（SH-SY5Y）与人星形胶质细胞系（SVG-P12）中评价材料的细胞相容性及促增殖效应，以此构建一个集物理化学表征与生物学功能验证于一体的综合评价体系。
研究结果
2.1 物理性质表征
纺丝液的流变学特性决定了纤维成型质量。纯PCL溶液粘度最高，引入Gel后因分子链缠结减弱导致粘度下降，而加入高粘度的ω3后粘度回升。电导率方面，Gel的离子化基团显著提升了溶液导电性，但κ-CG与疏水性ω3的加入则降低了电荷密度，导致电导率递减。表面张力在各组间无显著差异，表明纤维形态的变化主要受粘度与电导率调控。
2.2 形态学分析
SEM结果显示所有纳米纤维均呈无珠状、表面光滑的均匀结构。纯PCL纤维平均直径为272 ± 50 nm，Gel的加入因增强射流拉伸力使直径降至149 ± 37.3 nm；κ-CG的加入因降低导电性导致纤维增粗至218 ± 50 nm；ω3的掺入则因其疏水性及增粘效应，最终使纤维直径维持在140–290 nm的纳米尺度范围内。
2.3 FTIR分析
光谱分析证实了各组分的成功复合。PCL的特征峰位于1723 cm−1 （C=O伸缩振动）及1167 cm−1 （C-O-C对称伸缩）；Gel在3286 cm−1 处的宽峰对应N-H和O-H伸缩振动，1634 cm−1 和1538 cm−1 分别对应酰胺I带和II带；κ-CG在1231.69 cm−1 处的S=O伸缩振动峰证实了其硫酸基团的存在。由于ω3与PCL含有相似的酯基结构，其特征峰与PCL发生重叠，但通过其他测试手段证实了ω3的成功负载。
2.4 水接触角（WCA）测试
润湿性测试表明，纯PCL膜呈强疏水性（WCA 118.69°），Gel的加入大幅提升了亲水性（WCA 62.85°），κ-CG的引入使其进一步增强（WCA 50.30°）。尽管疏水性ω3的加入使接触角回升至64.96°，但所有样品的接触角均小于90°，仍属于亲水表面，有利于细胞黏附与生长。
2.5 力学测试
力学强度测试显示，PCL/Gel组表现出最高的拉伸强度（8.64 ± 2.78 MPa）。κ-CG的引入因界面相容性差导致强度和断裂伸长率下降。值得注意的是，ω3的加入发挥了显著的增塑作用，使断裂伸长率从8.64%大幅提升至30.13%，赋予材料优异的柔韧性，更适配神经组织的力学微环境。
2.6 DSC分析
热分析结果表明，Gel和κ-CG的加入降低了PCL的结晶度，熔点略有下降。ω3的增塑效应进一步扰乱了聚合物链段的有序排列，降低了PCL的结晶度，这与力学测试中观察到的柔韧性增加相印证。
2.7 溶胀测试
溶胀实验显示，含κ-CG的纳米纤维在PBS中表现出高达743%的溶胀率，归因于硫酸基团的强亲水性。ω3的掺入因形成疏水域阻碍了水分子渗透，将溶胀率降至308.7%。在不同溶剂中，ω3在乙醇中的分散性优于PBS，且在含离子环境中因电荷屏蔽效应导致网络收缩，溶胀受限。
2.8 体外释放测试
体外释放曲线显示，EPA呈双相释放模式，前3天快速释放至64%，随后转为缓慢持续释放，14天累积释放率达93.36%；DHA释放相对平缓，14天释放率为72%。两组分均未在14天内完全释放，表明仍有少量药物滞留于纤维基质中。
2.9 释放动力学数学模型
通过零级、一级、Higuchi和Korsmeyer–Peppas四种模型拟合，Korsmeyer–Peppas模型的拟合度最高（EPA: R2 =0.9973; DHA: R2 =0.9954）。扩散指数n值分别为0.816（EPA）和0.8956（DHA），均大于0.45，表明药物释放遵循异常（非菲克）扩散机制，即药物扩散与聚合物链松弛共同作用的结果，且DHA的释放受链松弛影响更大。
2.10 抗菌活性测定
抗菌实验表明，空白支架无抑菌圈，而负载ω3的纳米纤维对金黄色葡萄球菌产生了7 mm的抑制圈。在液体培养体系中，ω3组使细菌活力降低了约47%（降至约53%），证实了其抑菌效力。这归因于ω3破坏了细菌细胞膜的完整性，导致胞内物质泄漏。
2.11 细胞毒性实验
细胞实验显示，在无支架对照组中，高浓度ω3在48小时出现短暂抑制，而在PCL/Gel/κ-CG/ω3组中，ω3通过纳米纤维的持续缓释，有效避免了初期浓度突释带来的潜在细胞毒性，显著促进了SH-SY5Y和SVG-P12细胞的增殖。SH-SY5Y细胞中，ω3组的EC50 值随时间推移从3.16 µM降至0.8 µM，表明细胞对持续释放的低剂量ω3更为敏感。同样，在SVG-P12细胞中，负载ω3的支架维持了稳定的细胞活力增长，证明了该递送系统能有效提高ω3的生物利用度并支持神经细胞生长。
讨论与结论
本研究首次构建了PCL/Gel/κ-CG/ω3四元复合静电纺丝纳米纤维体系。研究人员证实，该体系不仅解决了ω3-PUFAs易降解、生物利用度低的难题，实现了EPA和DHA长达14天的可控差异化释放，还通过ω3的增塑作用优化了支架的力学性能，使其更符合神经组织的柔软特性。此外，该支架兼具良好的细胞相容性和一定的抗菌功能，能在体外有效促进神经元和神经胶质细胞的增殖。这项工作为癫痫等神经系统疾病的局部药物递送提供了新的材料设计思路，也为ω3-PUFAs在神经再生领域的应用提供了重要的实验依据。论文发表于《Macromolecular Materials and Engineering》。
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